Gerhard Grünewald

Movement‐Associated Potentials and Motor Control Report of the EPIC VI Motor Panel

The entirety of human behavior is based on motor acts. Without some kind of motor expression no reasoning or tradition could be retained in the culture. Mans capacity for acting on and interacting with the environment is dependent on his voluntary movements. Although investigations into human sensory information processing are numerous and have a long history, comparably fewer studies have been devoted to the analysis of human cortical motor functions. Previous views of human cortical motor control, determined by the sequelae of cerebral stroke and cortical stimulation experiments, envisaged an exclusively contralateral organization. However, the processes underlying early preparation for voluntary movement are different. Readiness for movement is accompanied by a widespread slow negativity over both hemispheres, the Bereitschaftspotential (BP, Kornhuber and Deecke, 1964, 1965). There are basically two major categories of movements, the distinction being made by how the movements are initiated. Movements can occur in response to an external stimulus. Movements of this kind are reactions to our environment. But we can also move spontaneously, i.e. of our own volition. Movements of this kind are our free actions on the environment. Although we also need motivation to react to an external

Relationships between the late component of the contingent negative variation and the bereitschaftspotential

The purpose of this study was to determine whether the late component of the contingent negative variation (CNV) in a S1-S2-respond paradigm shares critical features with the Bereitschaftspotential (BP) prior to self-paced voluntary movements. In a group of 8 subjects, the late CNV and the BP exhibited: (a) similar effects of response speed variation, (b) corresponding influences of subjective factors, and (c) a similar scalp distribution with the exception that the BP was much more lateralized. In contrast, no such relationships were found between early CNV and BP.

Contingent negative variation and alpha attenuation responses in children with different abilities to concentrate

In three paralleled groups, each of seven children (age, 11 years) with reliable high, average and low ability to concentrate, measured by psychological tests, the contingent negative variation (CNV) and the concomitant alpha attenuation responses were studied in warned reaction time experiments. Stimuli were tone (S1) and patterned light (S2). In half of the trials, S2 was a square, in the other half a triagle, stimuli being projected in random order onto the fixation point. In two experiments the children had to react (a) to each type of S2, and (b) selectively to one type of S2. Significant group differences were found. In comparison to the children with low ability to concentrate, the children with average and especially those with high ability to concentrate showed: (1) stronger central occipital alpha attenuation responses to the warning stimulus, but no differences in the early CNVs; (2) more occipital alpha reduction and enhanced development of central negativity before the imperative stimulus; (3) task-specific modulation of these responses, i.e. larger pre-S2 rise in negativity in the simple reaction task, and stronger pre-S2 reduction of alpha amplitudes in the discriminative reaction task.

Cerebral potentials during smooth goal-directed hand movements in right-handed and left-handed subjects.

During smooth goal-directed hand movements a negative potential shift can be recorded from the human scalp. This goal-directed movement potential (GDMP) is preponderant over central areas with a maximum at the vertex and, over the motor cortex, contralaterally larger than ipsilterally to the moving hand. In 11 right-handed and 6 left-handed subjects, the morphology and distribution of these potential shifts were studied in relation to task differences, moving hand and handedness. The results show a functional differentiation of two components of the GDMP: (1), a lateralized, slow negative wave, restricted to the precentral area and selectively varying with the hand used, and (2), a widespread, bilateral symmetrical component, selectively influenced by taskspecific and individual factors. Two effects reflect an influence of the subjectss handedness on the GDMP: (a) averaged for both hand conditions, there are larger amplitudes over the hemisphere contralateral to the dominant hand, and (b) averaged for both hemispheres, larger amplitudes result from using the nondominant hand.ZusammenfassungWährend langsamer, zielgerichteter Handbewegungen kann ein negatives Hirnpotential vom menschlichen Schädel abgeleitet werden. Dieses «Zielbewegungspotential» (goal-directed movement potential) ist über zentralen Arealen am stärksten ausgeprägt, zeigt ein Maximum am Vertex und ist über dem motorischen Cortex kontralateral zur bewegungsausführenden Hand größer als ípsilateral. An 11 Rechtshändern und 6 Linkshändern wurden Form und Verteilung dieser Potentiale in Abhängigkeit von der Bewegungsaufgabe, der benutzten Hand und der Händigkeit untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine funktionelle Differenzierung von zwei Komponenten des Zielbewegungspotentials: 1. Eine lateralisierte langsame negative Welle, die auf das präzentrale Areal beschränkt ist und selektiv mit der benutzten Hand variiert. 2 Eine breitverteilte bilateral symmetrische Komponente, die selektiv durch aufgabenspezifische und individuelle Faktoren beeinflußt wird. Zwei Effekte spiegeln den Einfluß der Händigkeit des Probanden auf das Zielbewegungspotential wieder: a) gemittelt über beide Handbedingungen sind die Amplituden größer über der Hemisphäre kontralateral zur dominanten Hand. b) Im Mittel über beide Hemisphären sind die Potentiale größer bei Benutzung der nichtdominanten Hand.

Category Scaling of the Interest Value of Complex Visual Stimuli and Late Positive Components of the Evoked Potential

Amplitude changes of a late positive component (P300) of evoked potentials have been related to the subjective importance or value of the eliciting stimuli as an explanatory dimension (Sutton et al., 1978; Sutton, 1979). This interpretation is based on the behavioral context of the stimuli (“task relevance”: for a review see Donchin et al., 1978) or on assumptions about their connotative meaning (e.g., monetary payoff: Sutton et al., 1978; Johnston, 1979; Johnston and Holcomb, 1980; Homberg et al., 1981). The present study examines this issue in terms of the subject’s personal rating of the stimulus value. It investigates late positive components of visual evoked potentials in relation to concurrently obtained categorical judgments of the perceived degree of interest in the stimuli.‘

Scalp recorded slow potential shifts during isometric ramp and hold contractions in human subjects

During voluntary isometric slow ramp contractions of the hand up to an internally defined target force level sustained negative potential shifts in the EEG were recorded from 6 human subjects.The potential shifts are composed of (a) a bilateral wide spread negativity with a maximum amplitude at the vertex, and (b) a smaller negative wave contralateral to the responding hand with a maximum over the respective motor area.Both components disappear during a voluntary isometric isotonic contraction when subjects have to maintain a stable force level for some seconds.

Event-related changes of fast rhythmic EEG activity in a positioning movement task.

Various EEG and ECoG studies in man (Jasper and Andrews, 1938; Jasper and Penfield, 1949; Gastaut, 1952; Pfurtscheller, 1981) have demonstrated that the central beta rhythm is attenuated or blocked in preparation for and especially during phasic sensorimotor activity. Therefore, having studied slow negative potential shifts during ramplike voluntary positioning movements (Grunewald-Zuberbier et al., 198 I ; Griinewald and Griinewald-Zuber6ier, 1982), we were interested in analyzing concomitant changes of the beta rhythm in the same experimental paradigm in the same subjects. In the following, we give a preliminary report on these studies.

Graphomotorische Untersuchungen an verhaltensschwierigen Kindern

Altersmasig ubereinstimmende Gruppen von a) 30 verhaltensschwierigen Kindern eines heilpadagogischen Heims (meist sogenannte emotionell Verwahrloste), b) 30 verhaltensschwierigen Kindern einer Erziehungsberatungsstelle und c) 30 verhaltensunauffalligen Kindern wurden unter kontrollierten Bedingungen bezuglich ihrer Graphomotorik untersucht. Die Testserie umfaste unter anderem drei Handlungen mit unterschiedlich hohen Kontrollanforderungen: a) Hin- und Herbewegung, b) Schreiben, c) Nachfahren komplizierter Linien. Die metrische und statistische Auswertung des Testverhaltens fuhrte zu folgenden Feststellungen: 1. Die angewandten graphomotorischen Tests differenzieren signifikant zwischen den verhaltensschwierigen und verhaltensunauffalligen Kindern. Es wird angenommen, das die Unterschiede mit dem Faktor der Verhaltensschwierigkeit (oder -gestortheit) zusammenhangen. 2. Die untersuchten Gruppen der Heimkinder und der Erziehungsberatungskinder reprasentieren zwei verschiedene Formen innerhalb der Verhaltensschwierigen. Das durchschnittliche Bewegungsverhalten der Heimkinder ist im Vergleich zur Normalgruppe durch eine impulsive, ungezugelte Bewegungsweise gekennzeichnet. Bei den Erziehungsberatungskindern uberwiegt ein vergleichsweise gehemmtes, unsicheres, uberkontrolliertes Bewegungsverhalten. 3. Die graphomotorischen Unterschiede zeigen eine Abhangigkeit von der funktionellen Struktur der Handlung, insbesondere vom Grad der Kontrollanforderung. Die Untersuchung und Berucksichtigung der-artiger Abhangigkeiten ist ein wichtiger Gesichtspunkt fur das Studium psychomotorischer Erscheinungen.ZusammenfassungAltersmäßig übereinstimmende Gruppen von a) 30 verhaltensschwierigen Kindern eines heilpädagogischen Heims (meist sogenannte emotionell Verwahrloste), b) 30 verhaltensschwierigen Kindern einer Erziehungsberatungsstelle und c) 30 verhaltensunauffälligen Kindern wurden unter kontrollierten Bedingungen bezüglich ihrer Graphomotorik untersucht. Die Testserie umfaßte unter anderem drei Handlungen mit unterschiedlich hohen Kontrollanforderungen: a) Hin- und Herbewegung, b) Schreiben, c) Nachfahren komplizierter Linien. Die metrische und statistische Auswertung des Testverhaltens führte zu folgenden Feststellungen:1.Die angewandten graphomotorischen Tests differenzieren signifikant zwischen den verhaltensschwierigen und verhaltensunauffälligen Kindern. Es wird angenommen, daß die Unterschiede mit dem Faktor der Verhaltensschwierigkeit (oder -gestörtheit) zusammenhängen.2.Die untersuchten Gruppen der Heimkinder und der Erziehungsberatungskinder repräsentieren zwei verschiedene Formen innerhalb der Verhaltensschwierigen. Das durchschnittliche Bewegungsverhalten der Heimkinder ist im Vergleich zur Normalgruppe durch eine impulsive, ungezügelte Bewegungsweise gekennzeichnet. Bei den Erziehungsberatungskindern überwiegt ein vergleichsweise gehemmtes, unsicheres, überkontrolliertes Bewegungsverhalten.3.Die graphomotorischen Unterschiede zeigen eine Abhängigkeit von der funktionellen Struktur der Handlung, insbesondere vom Grad der Kontrollanforderung. Die Untersuchung und Berücksichtigung der-artiger Abhängigkeiten ist ein wichtiger Gesichtspunkt für das Studium psychomotorischer Erscheinungen.

Verlaufsanalyse konditionierter EEG-arousal-reaktionen

SummaryA new automatic analysis which determines the parameters of the EEG rhythms for small time segments in relation to the stimulus allows a better description of the course of EEG reactions. This method was used to study arousal responses to paired stimuli in a reaction time experiment with constant foreperiod (sound-light pairing). A reaction time experiment with sound-light random sequences was employed to control EEG changes unrelated to stimulus pairing intraindividually.In 40 maladjusted children, aged from 8 to 13 year, stimulus pairing, in contrast to unpaired presentation, had the following effects on the arousal reactions represented by the course of alpha amplitudes:1.A steeper amplitude reduction in the interstimulus-interval over the whole experiment;2.a progressive shift of course and maximum of the amplitude reduction in the direction of light onset;3.an increasingly faster re-formation of alpha amplitudes after the light stimulus over the trial sequence;4.No intraindividual correlations were found between these EEG changes and reaction times, though reaction time also proved to depend on the course of conditioning. These findings are discussed under the aspects of classical conditioning, the orientation reaction and the relevance of psychological variables such as signal expectation and the intention to react.ZusammenfassungEin neues automatisches Analyseverfahren, das reizabhängig in kleinen Zeitsegmenten die Parameter der EEG-Rhythmen ermittelt, ermöglicht die genauere Verlaufsbeschreibung von EEG-Reaktionen. Hiermit wurden paarungsabhängige Arousal-Prozesse in einem Reaktionszeitversuch mit konstanter Vorperiode untersucht (Ton-Licht-Paarung). Zur intraindividuellen Kontrolle nicht-paarungsabhängiger EEG-Veränderungen diente ein Reaktionsversuch mit Ton-Licht-Zufallsfolgen.Bei 40 Heimkindern im Alter von 8–13 Jahren wurden bei Reizpaarung gegenüber Reizzufallsfolge die folgenden Merkmale in den Arousal-Reaktionen bzw. den sie repräsentierenden Alpha-Amplitudenverläufen festgestellt:1.Von Beginn an steilerer Amplitudenabfall des Reaktionsverlaufs im Interstimulus-Intervall;2.Progressive Verlagerung der Amplitudenreduktion in Verlauf und Maximum zum Beginn des Lichtreizes;3.Zunehmend schnellere Rückbildung der Alpha-Amplitude nach der Lichtreaktion über den Trialverlauf.4.Zwischen diesen EEG-Veränderungen und der Reaktionszeit ergab sich intraindividuell kein korrelativer Zusammenhang, obgleich auch die Reaktionszeiten vom Konditionierungsverlauf abhängig sind. Die Befunde werden unter den Gesichtspunkten des klassischen Konditionierens, des Orientierungsreaktion und der Beteiligung psychologischer Variablen wie Signal-Erwartung und Aktionsintention diskutiert.

Amplituden-Kovariation der EEG-Rhythmen unter verschiedenen funktionellen Bedingungen

SummaryUnder several visual and motor conditions (eyes closed — eyes open; homogeneous—structured central field of vision; rest — graphomotor activity) the frequency dependency of amplitude reduction (“desynchronization”) in the EEG was studied in the range of 4–30 cps by means of analysis of variance (N = 20). Evaluation of the EEG was accomplished by a automatic interval-amplitude analysis which allows separate determination for each frequency amount of waves and mean amplitude.1.Under all conditions and in all derivations amplitude reduction is distributed over a more or less extended range of frequencies of theta, alpha and beta waves (= covariation of amplitudes).2.The region of the statistically optimal functional differentiation is the alpha range (with a maximum at 10–12 cps), while towards lower and higher frequencies differentiation diminishes with dissimilar decrement and become insignificant.3.The change from “eyes closed” to “eyes open” reveals the highest numerical amplitude reduction which can be significantly demonstrated for all single frequencies from 5–25 cps. Regional differences in amplitude level are observed mainly when eyes are closed.4.Under the influence of motor activity, there is numerically less amplitude reduction, which is represented in a smaller range of theta, alpha and betas waves (7–20 cps). Over the central regions the spectrum is significantly more extended than in the occipital derivation.5.Amplitude reduction with structured-in comparison to homogeneous-field of vision shows the smallest effect. It is found mainly in the alpha range, but is still significant when all beta frequencies are summed up.ZusammenfassungUnter einigen visuellen und motorischen Bedingungen (geschlossene Augen — offene Augen; homogenes — strukturiertes zentrales Gesichtsfeld; Ruhe — graphomotorische Aktivität) wird die Frequenzabhängigkeit der im EEG auftretenden Amplitudenreduktion („Desynchronisation“) im Bereich von 4–30 Hz varianzanalytisch untersucht (N = 20). Die EEG-Auswertung erfolgt mit einem automatischen Intervall-Amplituden-Analyseverfahren das pro Frequenz eine getrennte Feststellung von Wellenhäufigkeit und mittlerer Amplitude ermöglicht.1.Unter allen Bedingungen erstreckt sich die Amplitudenreduktion in allen Ableitungen auf einen mehr oder weniger breiten Frequenzbereich von Theta-, Alpha- und Betawellen (= Amplituden-Kovariation).2.Ort der statistisch besten funktionellen Differenzierung ist der Alphabereich (mit Maximum bei 10–12 Hz), während zu den niederen und höheren Frequenzen die Differenzierung mit unterschiedlichem Dekrement abnimmt und insignifikant wird.3.Bei offenen gegenüber geschlossenen Augen ist die Amplitudenreduktion numerisch am stärksten ausgeprägt und für alle Einzelfrequenzen von 5–25 Hz signifikant nachweisbar. Regionale Unterschiede im Amplitudenniveau zeigen sich in erster Linie bei geschlossenen Augen.4.Unter dem Einfluß motorischer Aktivität ist die Verminderung der Amplituden numerisch geringer und in einem schmaleren Bereich von Theta-, Alpha- und Betawellen (7–20 Hz) repräsentiert. Über zentralen Regionen ist dieses Spektrum signifikant breiter als in der occipitalen Ableitung.5.Die Amplitudenreduktion bei strukturiertem gegenüber homogenem Gesichtsfeld zeigt den schwächsten Effekt. Sie ist in erster Linie auf den Alphabereich bezogen, aber auch noch signifikant, wenn alle Betawellen zusammengefaßt werden.